第二章 文獻回顧
第二節 進行自然通風設計時可同步考量防火安全
自然通風策略對於降低建築耗能及維繫居室良好室內空氣品質
（Indoor Air Quality, IAQ）裨益良多，因此，成為永續建築設計技術中重 要之一環。在空間型態上，一棟擁有良好自然通風效能的建築意味著在 該建物中具有相當的垂直空氣流道（vertical puncture）及水平向相互連接 的虛空間。圖 2-5 代表某則自然通風設計案例，然而，防火安全是藉由：
被動式建築構造體防火防護、主動式消防安全系統及防火安全管理等途 徑來共同達成的。如此，自然通風設計手法常與防火安全設計準則（特 別是被動式建築構造體防火防護）或法規產生衝突，畢竟，在建築防火 安全層面上講求的是利用垂直與水平防火區劃來防止火勢之延燒擴大。
圖2-6 (a)~(c)所示分別為未實施區劃之中庭建築、完全區劃建築以及 具備機械排煙之建築其個別的房間火災煙流示意。（Chow and Chow, 2005）指出，在香港，某些綠建築設計結果並無法滿足防火安全（法令）
的需求，例如（Chow and Chow, 2003）：室內複雜的虛空間、雙層化建築 外殼、過多的自然通風（途徑與量值）、挑高中庭的防火安全等。對於這 些衝突點（綠建築設計 vs. 防火安全），作者建議可以利用防火工程法則
（Fire engineering approach）（類似防火安全性能設計）的方法來加以取 得兩者的兼顧（Chow, 2003）。
圖2-5 自然通風設計案例 (Short et al, 2006)
(a)未實施區劃之中庭建築 (b)完全區劃之建築 (c)具備機械排煙之建築
圖2-6 房間火災煙流示意
（Short et al, 2006）的經驗顯示，在實施自然通風策略的建物內，欲 滿足防火安全法規要求的區劃勢必要以增加成本的方式增設防火擋門及 閘門，如此，增加的設施會反向影響到日常的自然通風性能，而利用機 械通風設施來併行排煙的功能時，除會增加成本外，在價值工程（VE, Value Engineering）的理念上，會使得採用自然通風設計的機會大為降 低。在進行建築計畫時，由於防火法令與經費的考量，自然通風設計往
往被風險管理與價值工程等論點所否決，也因此，自然通風的理論與實 務發展更應具備高可靠度，俾使成為設計者所能掌握的設計手法。當排 煙口處於戶外氣流正壓區中，室內火場煙流有可能被壓抑或是逆流回室 內中；而排煙口處於戶外氣流負壓區時，則可增益火場所產生的熱浮力，
使排煙更為順遂。因此，重要的是：自然通風必須要有能力抵抗或是順 應戶外風勢，使向外排煙性能維持在一定的水準，俾使全體居室人員完 成避難逃生。
（Short et al, 2006）提供一則自然通風與防火安全併同設計的發展過 程，內容相當值得參考，茲簡述如下：
此案例為英國 Coventry 大學之 Lanchester 圖書館暨學習資源中心，
其為 4 層樓、總樓地面積 10,000m2之建築物，除了法規規定電腦室（260 m2）必須進行機械通風外，所有的空間均採用自然通風及被動式冷卻技 術。自然通風策略所使用的空間設計與設施設計手法有：地板通風系統
（圖 2-7(a)所示之2號設施）、採光井3、挑高中庭4、外週區垂直通風管 5、頂層排氣管6等。其利用地板通風系統將外氣引入，藉由採光井將氣 流引導至各樓層，並利用中庭及外週區垂直通風管將室內空氣排出；而 在頂層空間，則多加了 4 支排氣管協助空氣的排出。整棟建物室容積為 40000m3，且為單一區劃空間，此值遠大於該國法規（Approved Document Part B ‘Fire Safety’, UK Building Regulations）所規定，然而，作者認為經 由煙流與熱流控制的正確設計，要符合上述法規是有可能的。
(a)自然通風設計 (b)第 2 階段設計結果 (c) 第 3 階段設計結果
圖2-7 自然通風與防火安全併同設計之實證案例
（1）第一階段：符合當時（1997 年）規範式法規之設計
該國法規規定，本建物屬於學校類型，其法定最大區劃面積為800m2。
途徑A：
◎區劃用牆體需具有1 小時防火時效
◎採光井及中庭構造所用玻璃需具有1 小時防火時效
途徑B：
◎自動撒水系統及機械排煙系統
◎以工業標準計算法進行排煙系統有效性之驗證工作
如此的區劃與設計方式將嚴重降低自然通風效能，同時，亦將增加 機械設施成本。
（2）第二階段：依循 BS 5588 Part 7（與中庭建築有關的部分）所進行 的替代方案
在BS （British Standard）5588 Part 7 中，與中庭火災有關的條文內 容係將中庭定義為貫穿兩樓層之空間，而此空間恰違背了防火區劃本意
（如圖 2-6(a)(b)），圖 2-7(b)所示為本階段之設計結果。其將採光井視為 中庭空間並要求具備遮煙性能，但法規中並無指明需具備某種防火時 效，在消防隊到達前，採光井空間必須要是完整的（如圖 2-7(b)所示之1 號設施）。在裝設機械式排煙系統時，採光井的遮煙擋板必須在火災發生 時是為關閉的（fail shut）；在自然排煙設計下，火災發生樓層的採光井遮 煙擋板必須是開啟的，而其他樓層者必須是關閉的（如圖2-7(b)所示之5 號設施）。
相關要求有：
◎裝置BS 5839 Part 1 所要求的 L2 自動撒水偵測。
◎中庭排煙性能必須達到：有效地將煙層高度維持在任何開 口部上方 2.5m 處以上。
◎各樓層裝置自動撒水系統。
當設計自然排煙系統時，要確認煙層溫升必須產生足夠的熱浮力，
在裝置自動撒水系統時，要瞭解在火災撒水過程中產生的冷卻效果是否 會降低煙層溫升，使得煙流熱浮力不足以自行排出。（Lai et al, 2008）觀 察發現：自動撒水頭的作動常僅於控制火勢，而非完全撲滅；可使消除 火場發生閃燃的機會，但也會導致CO 濃度的增加。
（3）第三階段：與有關當局協商防火措施
設計團隊調整原設計並利用BS 5588 Part 7 及其提供之評估標準驗 證設計結果。設計內容包含：
◎中庭空間應可部分開啟，不實施防火時效，但要求遮煙性。
◎L2 等級的火及煙偵測。
◎中庭的最高樓層處作為蓄煙之用，僅此樓層實施遮煙構造。
◎利用日常自然通風途徑作為中庭排煙機制。
在火災樓層採光井上的遮煙擋板及外週區通風管為開啟的，其他者 則為關閉。而地板通風系統在火災時期持續向火災樓層供給空氣。如圖 2-7(c)所示。
但是 Coventry 官方消防及建管單位並不認可手冊計算驗證（BRE, 1982）及經驗式計算所推算的用以維持適當煙層高度所需的空氣流率
（CIBSE, 1995）。因此，設計單位改以計算流體力學（CFD, Computational Fluid Dynamics）模擬軟體 SABRE 來進行設計驗證工作。
（4）第四階段：CFD 火場模擬
在如此的空間特性下，最糟的火場情況將是：低樓層火災產生的煙 流在冷卻之後會成層化（thermal stratification）存在於空間中，無法有效 地到達頂層排煙口。如此的煙氣（甚至於是冷煙流）都具有相當的毒性，
也有可能遮蔽逃生者的視線及使之窒息。
所設定的火源位於地面層開放空間，係由香菸、電力線走火或是意 外產生的點熱源所引起，進而延燒書架等可燃物。火災時間為 15 分鐘，
在 0~10 分鐘時，熱釋率呈現線性成長，並在 10 分鐘時到達 1.8 MW；在 10~15 分鐘時，熱釋率係由中等（medium）t2-fire 來代表。模擬結果顯示，
在 15 分鐘時，熱煙氣由中庭及外週區通風管順利排出，煙層高度可容許 人員順利逃生。接著進行 1MW 熱釋率下的穩態熱流場分析，結果如圖 2-8, 2-9 所示。熱流場趨勢與前者相似，僅部分煙層高度較為降低些，但 並不影響逃生安全性。
圖2-8 1MW 熱釋率垂直面的穩態煙流場 圖 2-9 1MW 熱釋率火災層的穩態溫度場
但建管及消防單位認為，這些 CFD 結果並不能表示設計結果完全符 合Approved Document Part B 的要求。理由為：在採光井旁邊的火源有可 能會破壞採光井玻璃及地面端遮煙擋板，而使得煙循此影響到其他樓層。
（5）第五階段：釐清官方質疑所進行的模擬
（5.1）熱釋率分別為 1 MW 及 2 MW
此兩則模擬情境的火源皆位於採光井旁，因此，假定會造成採光井 構造玻璃的破壞且所有樓層的遮煙擋板皆失效（全部開啟）。火源的熱釋 率分別為：在15 分鐘時到達 1 MW 及 17 分鐘時到達 2 MW。結果顯示，
熱煙氣流入採光井中，使得火災樓層蓄煙現象不嚴重，採光井內煙流的 溫度分別為40~50℃（火源為 1 MW 時）及 50~60℃（2 MW 時）。在頂 層發現少量經由開啟（失效）的擋板流入的煙氣，溫度分別為30℃（1 MW 時）及35℃（2 MW 時）。
（5.2）控制系統
此模擬情境係將受火災影響到的樓層其擋板予以開啟，而其他未受 影響處的擋板則為關閉。圖2-10, 2-11 所示垂直面的溫度場與煙流場，可 看出：熱及煙流有效地流入採光井中，使火災樓層的煙層高度維持在安 全範圍上。採光井內煙流的溫度介於60~75℃，較前者（擋板全部開啟者）
高出 10℃。由火源流入採光井的煙流溫度約為 160℃，因此，對於下游 處玻璃及擋板的熱破壞性並不高。而關閉的擋板可阻隔其他樓層的煙流 逸散，降低火災安全的風險。
圖2-10 垂直面的溫度場 圖 2-11 垂直面的煙流場
（5.3）閃燃發生的可能及時機
本則模擬情境為5 MW、所有的擋板均為開啟之激烈火場，如圖2-12, 2-13所示，結果顯示，在火災樓層，靠近中庭的天花板煙層溫度約為220
℃，中庭內煙流的溫度介於50~100℃，最高溫為120℃，對於玻璃與擋板 的熱破壞性不高。熱煙被侷限在火災樓層及中庭中，由圖2-13可看出在火 災樓層處，有0.5m2的天花板其煙層溫度超過550℃、1m2者超過500℃，
可推論此火場情境將無閃燃現象的發生。
圖2-12 5MW 熱釋率下垂直面的煙流場 圖 2-13 5MW 熱釋率下火災層的溫度場
因此，政府當局同意此設計案得以抵免（waive）Approved Document Part B 的要求。
為了獲得更好的自然通風、取得較多的晝光及較佳的室內溫熱環 境，從1998 年以來，香港在綠建築設計案例中出現了許多的挑高中庭，
然而，許多的挑高中庭設計卻無法滿足規範式防火安全法規（Watson, 1998）（Hung and Chow, 2001），例如：位於購物商場內的挑高中庭在防
然而，許多的挑高中庭設計卻無法滿足規範式防火安全法規（Watson, 1998）（Hung and Chow, 2001），例如：位於購物商場內的挑高中庭在防